菱形连翼布局俯仰力矩非线性特性数值分析.pdf

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1、2017年8月第43卷第8期北京航空航天大学学报JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsAugust2017V01．43No．8http：／／bhxb．buaa．edu．elljbuaa@buaa．edu．enDOI：10．13700／j．bh．1001-5965．2016．0584菱形连翼布局俯仰力矩非线性特性数值分析孙俊磊1，王和平1一，周洲1，汪子义2(1．西北工业大学航空学院，西安710072；2．北京机电工程研究所，北京100074)摘要：采用数值模拟

2、和理论分析相结合的方法，对高空长航时(HALE)菱形连翼布局无人机(UAV)的俯仰力矩非线性特性进行了研究。研究结果显示菱形连翼布局飞机具有2个明显的俯仰力矩非线性区域并存在上仰现象。通过采用湍动能来表示后翼受前翼尾流直接扫掠而导致的流场结构改变的强度和影响范围来解释其中一个俯仰力矩非线性区域出现的原因。通过分析前后翼流场分离的特性来解释出现另一个俯仰力矩非线性区域和力矩上仰的原因。研究了总体布局参数变化对菱形连翼布局无人机俯仰力矩特性的影响，结果显示通过调整总体布局参数可以有效地缓解俯仰力矩特性曲线非线性对飞行性能带来的影响。

3、关键词：高空长航时(HALE)；菱形连翼布局；数值模拟；俯仰力矩特性；总体参数中图分类号：V221+．3文献标识码：A文章编号：1001．5965(2017)08．1567—10菱形连翼布局飞机的机翼由前翼和后翼组成。由于从俯视或正视来看，飞机的翼面都构成一个菱形外形，因此命名为菱形连翼布局飞机，有些文献称其为连翼布局(joined—wing)飞机或盒式翼布局飞机。菱形连翼布局飞机与常规布局相比具有多种优点，如：重量轻，刚度大，诱导阻力小，跨音速面积分布好，最大配平升力系数高，浸润面积小，具有直接升力和直接侧力控制能力，稳定性和

4、操纵性好等。特别是其具有的全向探测能力使其成为未来高空长航时(HALE)探测无人机最有希望的候选布局形式之一。自20世纪70年代，美国的Wolkovitch⋯提出了连翼布局飞机的概念并进行了气动及结构分析以来，国外已对菱形连翼布局飞机进行了大量的研究并进行了风洞试验忙。7o，特别是在美国提出传感器飞机汁划以后，菱形连翼布局的研究又出现了一个新的高潮。“”。。在国内，菱形连翼布局的研究范围和深度也不断提高¨4。“。李光里等¨引对菱形连翼飞机低速气动特性进行了风洞实验研究；王延奎等。2叫针对菱形连翼布局俯仰力矩非线性变化特征进行了数

5、值模拟等，但这些研究对高空长航时菱形连翼布局飞机的俯仰力矩非线性特性的产生机理缺乏深入的研究。本文采用数值模拟的方法对高空长航时菱形连翼布局无人机的俯仰力矩非线性特性产生的原因、前后翼流动特性及布局参数变化对俯仰力矩非线性的影响进行研究，为菱形连翼布局无人机的工程设计提供理论依据。1数值模拟方法简述及算例本文数值模拟采用流动雷诺平均Navier—Stokes方程(RANS)方法，采用的湍流模型为k-to-SST模型，该模型使用问隙因子来修正K方程中的生成项、破坏项和混合函数，适合于有逆压梯度收稿日期：2016旬7．07；录用日期

6、：2016—10．14：网络出版时间：2016-11—1409：08网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．2625．V．20161114．0908．005．html基金项目：民机专项(MIE-2015-F-009)；陕西省科技统筹(2015KTCQ01-78)$通讯作者：E—mail：wangheping@nwpu．edu．cn§t甩格式：孙俊磊，i和平．忍渊．等．菱形连翼布局俯御力矩非线性特性数值分辑eJ]．北京航空航天大学学报，2017，43(8)：1567．1576．SUNJL。WANGHP

7、。ZHOUZ，eta1．Numericalanalysisofpitchingmomentnon-linearcharacteristicsofdiamondjoined—wingconfigurationfJJ．JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics，2017，43(8)：1567—1576(inChi-nese)．1568北京航空航天大学学报的流动计算。其耦合方程如下：警+毒[p叶，c—c肛+叩。，毒】=1"#ijSj—Bp∞K警+毒[p叶∞一c肛+叩。，

8、寒】=Ⅱ导r嘶sff一励∞2式中：t为时间；zi为时均距离；ui为时均速度；肛为黏性；矿为Prandtl数；卢为热膨胀系数；a为声速；p。为涡黏性；S。i为平均速度应变率张量；P为流体密度；，c为湍动能；∞为比耗散率；r。为雷诺应力的涡黏性。为验证本文使用的数值